專利名稱：一種紅外周視成像裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及紅外成像技術領域，尤其涉及一種紅外周視成像裝置。
背景技術：
紅外焦平面熱像儀是一種探測目標的紅外輻射并通過光電轉換、電信號處理等手 段，將目標物體的紅外輻射反映出的溫度分布轉換成視頻圖像的設備。焦平面探測器是紅 外焦平面熱像儀的重要組件之一，其焦平面上排列著感光元件陣列。在無限遠處的目標物 體發(fā)射的紅外輻射光線經過光學系統(tǒng)被采集到焦平面上的這些感光元件陣列上，焦平面探 測器再將接收到的光信號轉換為電信號并進行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路 傳輸系統(tǒng)，最終送達監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。如圖1所示，紅外焦平面熱像儀1安裝于轉臺3之上，與轉臺3勻速同步順時針轉 動，轉臺3的轉速為360度/秒，目標物體發(fā)出的紅外輻射需要在探測器焦平面上保持一段 時間，以保證焦平面探測器有足夠的積分時間將光信號轉換成電信號。按照視頻顯示標準， 轉臺3每轉動360度，紅外焦平面熱像儀1需成像50幀，即每1幀的成像時間為20毫秒， 其中4毫秒為焦平面探測器的積分時間?，F有技術通常不能保證這4毫秒的積分時間，導 致最終成像模糊。目前，還沒有能夠很好的解決這個問題的公知技術。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是，提供一種紅外周視成像裝置，使目標物體發(fā)出 的紅外輻射能夠在探測器焦平面上保持一定的時間，以保證焦平面探測器有足夠的積分時 間將光信號轉換成電信號，從而提高成像的清晰度。本實用新型采用的技術方案是，所述紅外周視成像裝置，紅外焦平面熱像儀固定 在轉臺邊緣上，該裝置還包括光學補償單元和控制信號產生單元，光學補償單元位于轉臺 中心，目標物體發(fā)出的紅外輻射光線經過光學補償單元反射后進入紅外焦平面熱像儀，光 學補償單元在控制信號產生單元生成的控制信號的作用下與轉臺以不同的速度和方向同 軸轉動，使紅外焦平面熱像儀在積分時間內持續(xù)收到目標物體發(fā)出的紅外輻射光線。所述控制信號產生單元包括上位計算機、數字控制信號產生模塊、數模轉換模塊、 運算放大模塊和電源模塊，其中上位計算機將串口指令發(fā)送給數字控制信號產生模塊，數字控制信號產生模塊根 據串口指令生成數字控制信號發(fā)送給數模轉換模塊，數模轉換模塊產生差分模擬信號發(fā)送 給運算放大模塊，運算放大模塊根據差分模擬信號輸出對應的鋸齒波；電源模塊為數字控制信號產生模塊、數模轉換模塊和運算放大模塊供電。所述串口指令包括鋸齒波的斜率、起始位置、結束位置、斜率大小和方向；所述串口指令進一步包括同步信號，數字控制信號產生模塊根據同步信號使所產 生的鋸齒波周期與紅外焦平面熱像儀的成像時間相匹配，且鋸齒波周期內的電壓上升時間 與紅外焦平面熱像儀的積分時間相匹配。
3[0011 ] 所述電源模塊包括直流隔離電源和電荷泵反轉器，直流隔離電源為數字控制信號 產生模塊和數模轉換模塊供電，直流隔離電源輸出的和經過電荷泵反轉器的輸出電壓分別 作為運算放大器的輸入電壓。所述數字控制信號產生模塊采用FPGA (Field Programmable Gate Array，現場可 編程門陣列)實現。所述光學補償單元在控制信號產生單元生成的控制信號的作用下與轉臺以不同 的速度和方向同軸轉動包括所述轉臺以第一速度轉動時，所述光學補償單元在紅外焦平面熱像儀的積分時間 內以第一速度的一半向相反方向同軸轉動，并在一幀成像時間結束之前恢復與紅外焦平面 熱像儀的初始相對位置。所述光學補償單元為回掃反射擺鏡，所述回掃反射擺鏡包括擺鏡電機、侍服驅動 電路和動態(tài)電源，其中所述侍服驅動電路一方面接收所述控制信號產生單元發(fā)來的控制信號，另一方面 計算出回掃反射擺鏡相對于初始位置的角度位移對應的電壓，由所述控制信號電壓與所述 角度位移對應的電壓相減確定出電壓差；所述侍服驅動電路通過驅動擺鏡電機旋轉將所述電壓差降為零；所述動態(tài)電源為擺鏡電機和侍服驅動電路供電。所述回掃反射擺鏡采用漢華環(huán)球公司的HC系列高速光學掃描系統(tǒng)。采用上述技術方案，本實用新型至少具有下列優(yōu)點本實用新型所述紅外周視成像裝置，紅外焦平面熱像儀固定在轉臺邊緣上，該裝 置包括光學補償單元和控制信號產生單元，光學補償單元位于轉臺中心，目標物體發(fā)出的 紅外輻射光線經過光學補償單元反射后進入紅外焦平面熱像儀，光學補償單元在控制信號 產生單元生成的控制信號的作用下與轉臺以不同的速度和方向同軸轉動，使紅外焦平面熱 像儀在積分時間內持續(xù)收到目標物體發(fā)出的紅外輻射光線。本實用新型采用了結構相對簡 單的回掃反射擺鏡作為光學補償單元，延長目標物體紅外輻射在探測器焦平面上的駐留時 間，使紅外焦平面熱像儀有足夠長的積分時間以成清晰的圖像。

圖1為現有技術中紅外焦平面熱像儀使用狀態(tài)示意圖；圖2為本實用新型所述紅外周視成像裝置組成及使用狀態(tài)示意圖；圖3為本實用新型所述控制信號產生單元組成示意 0025]圖4為本實用新型所述回掃反射擺鏡電路組成示意圖；圖5(a)、(b)分別為本實用新型所述鋸齒波控制信號周期、紅外焦平面熱像儀成 像周期示意圖。
具體實施方式
為更進一步闡述本實用新型為達成預定目的所采取的技術手段及功效，以下結合 附圖及較佳實施例，對本實用新型提出的所述紅外周視成像裝置，詳細說明如后。本實用新型的一個具體施例，如圖2所示，一種紅外周視成像裝置，紅外焦平面熱像儀1固定在轉臺3邊緣上，該裝置還包括回掃反射擺鏡2和控制信號產生單元，回掃反射 擺鏡2位于轉臺3中心，目標物體發(fā)出的紅外輻射光線經過回掃反射擺鏡2反射后進入紅 外焦平面熱像儀1。如圖3所示，控制信號產生單元包括上位計算機、數字控制信號產生模塊、數模轉 換器、運算放大器、直流隔離電源和電荷泵反轉器，其中上位計算機將串口指令發(fā)送給數 字控制信號產生模塊，該串口指令協(xié)議格式如表1所示表1串口指令協(xié)議格式 注協(xié)議中所使用的數據均為16進制，且1個字母代表16進制的1個數字。數字控制信號產生模塊根據串口指令生成數字控制信號發(fā)送給數模轉換器，數模 轉換器產生差分模擬信號發(fā)送給運算放大器，運算放大器根據差分模擬信號輸出所需的鋸 齒波控制信號。鋸齒波的波形示意圖如圖5(a)所示，紅外焦平面熱像儀成像周期示意圖如 圖5(b)所示，從兩幅圖中還能看出鋸齒波周期與紅外焦平面熱像儀成像周期之間的關系。數字控制信號產生模塊可以采用FPGA實現。回掃反射擺鏡2在控制信號產生單元生成的鋸齒波控制信號的作用下與轉臺3以 不同的速度和方向同軸轉動，具體的，當轉臺3以360度/秒逆時針轉動時，回掃反射擺鏡 2在紅外焦平面熱像儀1在積分時間內以180度/秒順時針轉動，按照視頻顯示標準，轉臺 3每轉動360度，紅外焦平面熱像儀1需成像50幀，即每1幀的成像時間為20毫秒，其中4 毫秒為探測器的積分時間。在鋸齒波上升沿的起點回掃反射擺鏡2開始回掃，由于反射光 線轉過的角度為法線轉過角度的2倍，所以回掃反射擺鏡2的速度大小只需設為轉臺3速 度的1/2，即可通過光學補償，使同一目標物體發(fā)出的紅外輻射在探測器的積分時間4毫秒 內相對固定的入射到探測器焦平面上，從而使紅外焦平面熱像儀1有足夠的積分時間可以
5完成清晰成像。如圖5(a)所示，在鋸齒波一個周期內的上升沿終點即電壓為0. 36V時，回掃反射 擺鏡2停止回掃并開始復位，速度方向為逆時針，速度大小為180度X4/16 = 45度/秒。 復位過程中對回掃反射擺鏡2的速度沒有嚴格要求，但為了便于控制，將其設置為勻速過程?；貟叻瓷鋽[鏡2可以采用漢華環(huán)球公司的HC系列高速光學掃描系統(tǒng)，如圖4所 示，該系統(tǒng)包括擺鏡電機、侍服驅動電路和動態(tài)電源，其工作原理如下侍服驅動電路一方面接收控制信號產生單元發(fā)來的鋸齒波控制信號，侍服驅動電路另一方面需要計算出回掃反射擺鏡2相對于初始位置的角度位移 對應的電壓，由控制信號電壓與該角度位移對應的電壓相減得到輸入電壓差，侍服驅動電 路通過驅動擺鏡電機旋轉將輸入電壓差降為零。動態(tài)電源為擺鏡電機和侍服驅動電路供 H1^ ο假設目標物體固定位于轉臺的正下方，回掃反射擺鏡2的初始位置為與反射的紅 外輻射光線呈45度的位置，如圖2所示，此時該位置稱為中心，輸入電壓差與回掃反射擺鏡 位置的關系如下輸入電壓差=-10V，位置=逆時針滿角度；輸入電壓差=0V，位置=中心；輸入電壓差=+10V，位置=順時針滿角度。電壓角度輸出比例因子為0.5V/度，S卩，當回掃反射擺鏡2在中心位置時，鋸齒波 振幅為0. 5V時，回掃反射擺鏡2應順時針轉過1度。直流隔離電源為數字控制信號產生模塊和數模轉換器提供+3. 3V的工作電壓，直 流隔離電源輸出的+3. 3V和經過電荷泵反轉器的輸出電壓-3. 3V分別作為運算放大器的輸 入電壓。本實用新型所述裝置能夠對紅外焦平面熱像儀在做360度水平轉動成像進行光 學補償，以使熱像儀有足夠的積分時間成清晰圖像，解決了凝視型熱像儀周視成像過程中 由于運動造成的圖像模糊問題。采用了結構相對簡單的回掃反射擺鏡并為其設計了一套簡 易的控制電路，實現成本較低。通過具體實施方式
的說明，應當可對本實用新型為達成預定目的所采取的技術手 段及功效得以更加深入且具體的了解，然而所附圖示僅是提供參考與說明之用，并非用來 對本實用新型加以限制。
權利要求一種紅外周視成像裝置，紅外焦平面熱像儀固定在轉臺邊緣上，其特征在于，該裝置還包括光學補償單元和控制信號產生單元，光學補償單元位于轉臺中心，目標物體發(fā)出的紅外輻射光線經過光學補償單元反射后進入紅外焦平面熱像儀，光學補償單元在控制信號產生單元生成的控制信號的作用下與轉臺以不同的速度和方向同軸轉動，使紅外焦平面熱像儀在積分時間內持續(xù)收到目標物體發(fā)出的紅外輻射光線。
2.根據權利要求1所述紅外周視成像裝置，其特征在于，所述控制信號產生單元包括 上位計算機、數字控制信號產生模塊、數模轉換模塊、運算放大模塊和電源模塊，其中上位計算機將串口指令發(fā)送給數字控制信號產生模塊，數字控制信號產生模塊根據串 口指令生成數字控制信號發(fā)送給數模轉換模塊，數模轉換模塊產生差分模擬信號發(fā)送給運 算放大模塊，運算放大模塊根據差分模擬信號輸出對應的鋸齒波；電源模塊為數字控制信號產生模塊、數模轉換模塊和運算放大模塊供電。
3.根據權利要求2所述紅外周視成像裝置，其特征在于，所述串口指令包括鋸齒波的 斜率、起始位置、結束位置、斜率大小和方向；所述串口指令進一步包括同步信號，數字控制信號產生模塊根據同步信號使所產生的 鋸齒波周期與紅外焦平面熱像儀的成像時間相匹配，且鋸齒波周期內的電壓上升時間與紅 外焦平面熱像儀的積分時間相匹配。
4.根據權利要求1或2或3所述紅外周視成像裝置，其特征在于，所述電源模塊包括 直流隔離電源和電荷泵反轉器，直流隔離電源為數字控制信號產生模塊和數模轉換模塊供 電，直流隔離電源輸出的和經過電荷泵反轉器的輸出電壓分別作為運算放大器的輸入電 壓。
5.根據權利要求2或3所述紅外周視成像裝置，其特征在于，所述數字控制信號產生模 塊采用現場可編程門陣列FPGA實現。
6.根據權利要求1所述紅外周視成像裝置，其特征在于，所述光學補償單元在控制信 號產生單元生成的控制信號的作用下與轉臺以不同的速度和方向同軸轉動包括所述轉臺以第一速度轉動時，所述光學補償單元在紅外焦平面熱像儀的積分時間內以 第一速度的一半向相反方向同軸轉動，并在一幀成像時間結束之前恢復與紅外焦平面熱像 儀的初始相對位置。
7.根據權利要求1或2或3或6所述紅外周視成像裝置，其特征在于，所述光學補償單 元為回掃反射擺鏡，所述回掃反射擺鏡包括擺鏡電機、侍服驅動電路和動態(tài)電源，其中所述侍服驅動電路一方面接收所述控制信號產生單元發(fā)來的控制信號，另一方面計算 出回掃反射擺鏡相對于初始位置的角度位移對應的電壓，由所述控制信號電壓與所述角度 位移對應的電壓相減確定出電壓差；所述侍服驅動電路通過驅動擺鏡電機旋轉將所述電壓差降為零；所述動態(tài)電源為擺鏡電機和侍服驅動電路供電。
8.根據權利要求7所述紅外周視成像裝置，其特征在于，所述回掃反射擺鏡采用漢華 環(huán)球公司的HC系列高速光學掃描系統(tǒng)。
專利摘要本實用新型公開了一種紅外周視成像裝置，紅外焦平面熱像儀固定在轉臺邊緣上，該裝置包括光學補償單元和控制信號產生單元，光學補償單元位于轉臺中心，目標物體發(fā)出的紅外輻射光線經過光學補償單元反射后進入紅外焦平面熱像儀，光學補償單元在控制信號產生單元生成的控制信號的作用下與轉臺以不同的速度和方向同軸轉動，使紅外焦平面熱像儀在積分時間內持續(xù)收到目標物體發(fā)出的紅外輻射光線。本實用新型采用了結構相對簡單的回掃反射擺鏡作為光學補償單元，延長目標物體紅外輻射在探測器焦平面上的駐留時間，使紅外焦平面熱像儀有足夠長的積分時間以成清晰的圖像。
文檔編號G01J5/10GK201653553SQ201020046789
公開日2010年11月24日 申請日期2010年1月6日 優(yōu)先權日2010年1月6日
發(fā)明者王明超, 祁蒙, 高旭輝 申請人:中國電子科技集團公司第十一研究所